Фурье-спектрометр

-.с=СА ЕЛЬСТВ й инГОСУДАРСТБЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕ; ЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВ(57) Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для спектральных исследований материалов, Целью изобретения является повышение точности и надежности. Для этого усилитель 25 низкой частоты, фазовраща.- тель 28, фильтр 29 низкой частоты и блок 15 управления приводом 14 подвижного зеркала 2 снабжены цифровыми блоками управления, подключенными к ЭВМ 31, 1 з,п, ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для спектральных исследовани. материалов, в частности полупроводниковых,Цель изобретения - повышение надежности и точности измерений в условиях действия факторов, меняющих параметры измерительного канала,На фиг, 1 представлена блок-схема устройства; на фиг, 2 - блок-схема вычислительного устройства, на фиг. 3 - временные диаграммы на входах и выходах синхронного детектора с фильтром низкой частоты; на фиг. 4 - временные диаграммы сигнала на выходе фильтра низкой частоты входе запуска аналого-цифрового поеобразователя,Фурье-спектрометр содержит интерферометр Майкельсона ", (фиг, 1), имеющий оптическую систему, состоящую из зеркал 2 - 13, из которых два являются подвижными, причем зеркало 2 - подвижноз вдоль оси, перпендикулярной плоскости зеркала., а зеркало 12 - подвижное вокруг оси, проходящей параллельно плоскости зеркала, Остальные зеркала (3-11 и 13) неподвижные. Подвижное зеркало 2 соединено с приводом 14, который подключен к выходу блока 15 управления приводом.В интерферометре 1 имеются светоделитель 16, управляемый блок 17 фильтров, источник 18 оптического излучения, прерыватель 19 оптического излучения, подключенный к выходу модулятора 20, и фотоприемник 21.В состав спек.;рометра входит оптический криостат 22 (показан условно). Исследуемый образец 23, помещенный в криостат 22, установлен на ути оптического излучения, сфокусированного зеркалом 9.Фотоприемник 21 через переключатель 24 соединен с усилителем 25 низкой частоты (в зависимости от положения переключателя 24), выход которого соединен с первым входом синхронного детектора 26, Вход модулятора 20 соединен с выходом опорного генератора 27, к которому вход фазовращателя 28, Выход фазовращателя 28 соединен с вторым входом синхронного детектора 26.Усилитель 25 снабжен блоком управления коэффициентом усиления. Фазовращатель 28 снабжен блоком управления сдвигом фазы.На выходе синхронного детектора 26 имеется фильтр 29 низкой частоты, который снабжен блоком управления постоянной интегрирования (блок управления на фиг. 1 совмещен с фильтрсм 29 низкой частоты). Выход фильтра 29 низкой частоты соединен с входом аналогс-цифрового преобразова 15 20 25 30 35 40 45 теля ЗО, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 31, Вход запуска аналого-цифрового преобразователя ЗО соединен с выходом модулятора 20 Второй выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока 15 управления приводом. Первый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом регистратора 32. Четвертый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управления коэффициентом усиления усилителя 25, Третий выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управления сдвигом фазы фазовращателя 28. Пятый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управления постоянной интегрирования фильтра 29 низкой частоты.В состав вычислительного устройства 31(фиг. 2) входят блок 33 определения коэффициента усиления, блок 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления, блок 35 определения сдвига фазы, блок 36 определения постоянной интегрирования, блок 37 формирования команд управления приводом и накопитель 38 отсчета интерферограмм,Вход блока 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления соединен с первым выходом блока 33 определения коэффициента усиления, второй выход которого образует четвертый выход вычислительного устройства 31. Первый вход блока 33 определения коэффициента усиления образует вход вычислительного устройства 31.Первый вход блока 35 определения сдвига фазы соединен с первым выходом блока 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления, второй вход подключен к первому входу блока ЗЗ определения коэффициента усиления. Первый выход блока 35 определения сдвига фазы соединен с вторым входом блока 33 определения коэффициента усиления, а его второй выход образует третий выход вычислительного устройства 31.Второй выход блока 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления соединен с первым входом блока Зб определения постоянной интегрирования. Второй вход блока Зб определения постоянной интегрирования подключен к первому входу блока ЗЗ определения козффициента усиления, его первый выход образует пятый выход вычислительного устройства 31, а второй выход соединен с входом блока 37 управления приводом. Первый выход блока 37 управления приводом образует второй выход вычислительного ус 1681171тройства 31. Второй выход блока 37 формирования.команд управления приводом соединен с первым входом накопителя 38отсчета интерферограмм, второй вход которого подключен к первому входу блока 33 5определения коэффициента усиления. Выход накопи.-еля 38 отсчета интерферограммобразует первый выход вычислительного устройства 31,Устройство работает следующим абразом.От источника 18 оптического излучения(Фиг. 1) световой поток проходит через прерыватель 19, обрезается зеркалом 3 и коллимируется параболическим зеркалом 4. От 15зеркала 4 световой поток параллельнымпучком направляется на сеетоделитель 16,отражается от плоского зеркала 5 и попадает вновь на светоделитель 16. Отраженныйпучок, направленный в сторону зеркала б, 20отражается от этого зеркала и подается напараболическое зеркало 7,Другая часть светового пучка отражается от светоделителя 16 в сторону подвижного зеркала 2. Отражаясь от зеркала 2, 25световой пучок проходит через светоделитель 16 и попадает на зеркало 6. Пучок оптического излучения, отраженный отзеркала 6, собирается сферическим зеркалом 7. 30Таким образом, на зеркало 7 попадаютдва световых пучка, прошедших от источника 18 оптического излучения по двум различным плечам интерферометра. Взависимости от того, в каком положении 35находится подвижное зеркало 2, определяющее разность хода в плечах интерферометра, меняются условия интерференциипучков излучения, собираемых сферическим зеркалом 7, 40В результате интерференции меняетсяинтенсивность результирующего оптического излучения, которое направляется отзеркала 7 через предварительно выбранныйфильтр блока 17 фильтров. После прохождения фильтра оптическое излучение ограниченного спектрального состава отражаетсяот зеркала 8, попадает на зеркало 9 и направляется на установленный в фокусе зеркала 9 исследуемый образец 23, 50размещенный в оптическом криостате 22,Если исследуется спектральная зависимость фотопроводимости, то электрическийсигнал снимается непосредственно с контактов к образцу 23 и через переключатель 5524 (как показано на фиг, 1) поступает наусилитель 25 низкой частоты.Если проводят измерения спектров поглощения калориметрической методикой,то вместе с образцом 23 в криостат 22 помещают термочувствительный элемент (например, терморезистор), который соединяют с исследуемым образцом посредством теплопроводника (нап ример, медной проволочки). Электрический сигнал, снимаемый с термочувствительного элемента, аналогично подается на усилитель 25 низкой частоты.В случае, если измеряют спектры отражения или пропускания образцов материалов, то оптическое излучение либо отражается от образца 23, собирается зеркалом 10 и попадает на фотоприемник 21, отражаясь от зеркала 12 (повернутого в положение, показанное пунктйрной чертой) и зеркала 13, либо проходит через образец 23, собирается зеркалом 11, отражается от зеркал 12 и 13, попадая на фотоприемник 21 соответственно. Электрический сигнал с фотоприемника 21 через переключатель 24 (в положении, противоположном показанному на фиг,1) поступает на усилитель 25 низкой частоты,С усилителя 25 низкой частоты электрический сигнал поступает на первый вход синхронного детектора 26, На его второй вход подается опорный сигнал с выхода фаэовращателя 28, который подключен к опорному генератору 27.Коэффициент усиления усилителя 25 низкой частоты определяется сигналом, поступившим на вход блока управления коэффициентом усиления с четвертого выхода вычислительного устройства 31.Опорный сигнал на втором входе синхронного детектора 26 может быть сдвинут по фазе относительно сигнала опорного генератора 27. Величина сдвига фазы определяется сигналом, поступившим на вход блока управления сдвигом фазы фазовращателя 28 с третьего выхода вычислительного устройства 31,После синхронного детектирования синхронным детектором 26 и фильтрации по низкой частоте фильтром 29;иэкой частоты сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь 30. Постоянная интегрирования фильтра 29 низкой частоты определяется сигналом, поступающим на вход его блока управления постоянной интегрирования,Аналого-цифровой преобразователь 30 осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой вид. В цифровом виде сигнал поступает на вход вычислительного устройства 31, в котором осуществляется его обработка.В режиме "Настройка" подвижное зеркало 2 (фиг. 1) устанавливается в положение, соответствуюцее нулевой оптической раз 1681171ности хода лучей в плечах интерферометра (контроль осуществляется по индикатору нулевой оптической разности хода, который совмещен с приводом подвижного зеркала 14), В этом случае с выхода аналого-цифрового преобразователя сигнал поступает на вход блока 33 определения коэффициента усиления (фиг. 2), который подключен к входу вычислительного устройства 31 (образует его вход), В начальный момент с второго выхода блока ЗЗ определения коэффициента усиления на вход блока управления коэффициентом усиления (фиг, 1) поступает сигнал управления, который соответствует минимальному усилению. В блоке 33 (фиг. 2) осуществляется сравнение сигнала, поступающего с аналого-цифрового преобразователя, с уровнем номинального сигнала, Если этот сигнал меньше, то осуществляется пошаговое изменение сигнала управле. ния в сторону увеличения коэффициента усиления, Так происходит до тех пор, пока сигнал на первом входе блока 33 определения коэффициента усиления не превысит номинального значения, после чего на втором выходе блока 33 устанавливается значение управляющего сигнала, соответствующее коэффициенту усиления усилителя 25 (фиг, 1), при котором с выхода аналого-цифрового преобразователя 30 на вычислительное устройство 31 (первый вход блока ЗЗ, фиг. 2) поступает сигнал, близкий к номинальному (с меньшей стороны), т,е. уменьшается коэффициент усиления усилителя 25(фиг. 1) на одну градацию(один шаг).После установки коэффициента усиления усилителя 25 с первого выхода блока 33 (фиг. 2) на вход блока,34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления поступает импульс, свидетельствую щий о завершении операции определения коэффициента усиления.В блоке 34 осуществляется счет количества операций определения коэффициента усиления (т,е, числа поступающих импульсов). Если число поступивших импульсов меньше заданного, то с первого выхода блока 34 на первый вход блока 36 определения сдвига фазы поступает сигнал запуска и он начинает функционировать. В начальный момент с второго выхода блока 35 определения сдвига фазы на вход блока управления сдвигом фазы фаэовращателя 28 (фиг. 1) поступает сигнал управления, соответс 1 вующий нулевому сдвигу фазы. Затем осуще ствляется пошаговое изменение сдвига фазы путем соответствук)щего изменения сигнала управления, На второй вход блока 35 определения сдвига фазы (фиг. 2) поступает сигнал с выхода аналого-цифровяо преобразователя 30(фиг. 1). Он записывается (запоминается) для каждого шага, Изменение фазы производится от 0 до 360 с шагом 1-2 О. Большая дискретизация не при водит к значительному повышению точности измерений, а меньшая дискретизация снижает точность.После записи сигнала для каждого шагадискретизации осуществляется определе ние максимального значения сигнала и навтором выходе блока 35 определения сдвига фазы (фиг. 2) устанавливается управляющий сигнал, соответствующий этому значению.При этом управляющий сигнал, поступая на 15 вход блока управления сдвигом фазы фазовращателя 28 (фиг. 1), производит сдвиг фазы опорного сигнала на величину сдвига фазы сигнала в канале измерения. В результате на входы синхронного детектора 26 опор ный и полезный сигналы поступают синфазно.На фиг, За, б представлены временныедиаграммы полезного и опорного сигналов, поступающие на первый и второй входы 25 синхронного детектора 26. При наличии задержки в канале измерения полезный сигнал (фиг, За), обозначенный сплошной линией, оказывается сдвинутым по фазе на величину Л (которая зависит от характера 30 факторов, меняющих параметры измерительного канала), Пунктирной линией на фиг, За представлен полезный сигналЬр= О.35На фиг, Зб пунктирной линией обозначен опорный сигнал, поступающий на второй вход синхронного детектора 26 при40 Ьр= ОВ идеальном случае при отсутствии задержки в канале измерения45 Ьр =Ьр 1=0Сплошной линией на фиг. Зб обозначенопорный сигнал, сдвинутый на величинуЬр,На фиг, Зв пунктирной линией обозна чен сигнал после синхронного детектирования (с выхода блока 26) при Ьр =Ар =О.Оказывается, что в этом случае сигнал с выхода фильтра 29 низкой частоты, представленный на фиг. 3 также пунктирной линией.55 имеет максимально возможное значение.При задержке полезного сигнала навеличину Ьр и Ьр = 0 происходит неоптимальное детектирование полезного сигнала (на фиг, Зв такой сигнал показан сплошнойлинией), В результате этого на выходе фильтра 29 низкой частоты (фиг. 1) амплитуда 0 полезного сигнала падает в соответствии с Формулой О = Онас соз Ь/ (фиг. Зг, сплошная линия), Таким образом, сдвиг Фазы 5 Ьр полезного сигнала однозначно определяется амплитудой полезного выходного сигнала, снимаемого с выхода фильтра 29 низкой частоты, и максимальному значению амплитуды полезного сигнала соответству ет сдвиг фазы Ьр, равный нулю. Для обеспечения оптимального детектирования не обязательно сдвигать на величину Ьрсам полезный сигнал. Сдвиг опорного сигнала на величину Ьр = Ьр эквивалентен этому, и в предлагаемом устройстве опорный сигнал с помощью фазовращателя 28 (фиг. 1) сдвигается на величину Ьр =Ьр, аЬр однозначно определяется по максимально му значению амплитуды полезного сигнала.После выполнения операции определе-. ния и установки оптимального сдвига фазы с первого выхода блока 35 (фиг, 2) на второй вход блока 33 определения коэффициента 25 усиления поступает импульс его повторного запуска и происходит повторное определение и установка коэффициента усиления, Эта операция крайне необходима, так как после операции определения и установки 30 сдвига фазы (блоком 35) полезный сигнал с выхода аналого-цифрового и реобразователя 30 изменяется и может быть значительно больше номинального значения (или даже допустимого). 35Если полезный сигнал превышает допустимую величину, то он ограничивается, и значение Фазы не определяется однозначно (учитывая одно из близких значений фазы).В этом случае оказывается недостаточным однократное определение фазы (т.е. однократная работа блока 35) и необходим повторный цикл определения и установки сдвига фаэы и коэффициента усиления.Вполне достаточно дважды проводить 45 определение сдвига фазы. Число циклов определения и установки сдвига фазы ограничивается блоком 34. При этом всегда должно выполняться условие й = К+ 1, где И - число циклов определения коэффициента усиления; К - число циклов определения сдвига фазы. При этом минимальное К, при котором обеспечивается устойчивая работа, равно 2 (хотя может быть и больше), а М = 3.После третьего цикла определения и уста новки коэффициента усиления блоком 33 на вход блока 34 поступает третий импульс, который не приводит к запуску блока 35 определения сдвига фазы, Однако при этом на втором выходе блока 34 появляется сигнал, который запускает блок 36 определе-ния постоянной интегрирования.В начальный момент с второго выходаблока 36 на вход блока управления постоянной интегрирования фильтра 29 низкой частаты (Фиг. 1) поступает управляющийсигнал, соответствующий минимально допустимой величине постоянной интегрирования (величине, при которойсреднеквадратичное отклонение полезногосигнала, без образца в канале измерения,не превышает допустимого значения),В блоке Зб (фиг. 2) осуществляется запись полезно.о сигнала через одинаковыеинтервалы времени по числу и точек; ивыбирают произвольныв С увеличением г:возрастает точность определения статических параметров, в частности среднеквад-ратичного отклонения,Число отсчетов, например, мажет бытьвыбрано и = 1000.Далее производится статистическая. обработка записанных данных, в результатеопределяется среднеквадратичное отклонение величины полезного сигнала, Затемпроизводится сравнение полученного среднеквадратичного отклонения гт с допустимым одоп, Если оодоп, то работа блокаЗб заканчивается и управляющий сигнал навтором выходе остается прежним.Если 0)цап, то на первом выходеблока 36 управляющий сигнал изменяетсятак, что при этом постоянная интегрирования фильтра 29 низкой частоты увеличивается на некоторую постоянную величину,Затем вновь повторяется цикл определениясреднеквадратичного отклонения и сравне.ния его с одоп . Так происходит до;ех пор,пока а не будет меньше или равно одопПосле завершения операции определения иустановки постоянной интегрирования с выхода блока 36 на вход блока 37 управленияприводом поступает сигнал, свидетельствующий о готовности усгройства к работе.В режиме "Работа" подвижное зеркало2 по команде с блока 37 формирования команд управления приводом перемещается висходную позицию (смещается относительно нулевой разности хода на заданное числоточек). Затем осуществляется пошаговоесканирование зеркалом 2, При остановкезеркала 2 в точках отсчета интерферограммс второго выхода блока 37 формированиякоманд управления приводом поступает напервый вход накопителя отсчетов интерферограмм сигнал,. разрешающий запись отсчета интерферограммы.После завершения скана записаннаяинтерферограмма может быть выведена изблока 38 на регистратор 32, ОбратноеФурье-преобразование снятой интерферограммы позволяет пслучить спектр.В вычислительное устройство 31 можетвходить Фурье-процессор (не показан), который устанавливают после накопителя 38отсчетов интерферограмм, Тогда на регистратор 32 выводится непосредственноспектр.В предлагаемом устройстве в процессевсей работы (режимах "Настройка" и "Работа") запуск аналого-цифрового преобразователя 30 (фиг. 1) осуществляется по сигналус выхода модулятора 20, Это позволяет приизмерениях низких уровней сигналов, снимаемых с образцов, снизить влияние на измерительный канал наводок частотой 50 Гци уменьшить влияние флюктуации сигнала(с выхода фильтра низкой частоты) на процесс преобразования его в цифровой вид,На фиг. 4 а представлен сигнал с выходафильтра 29 низкой частоты, Из-за не.:деальной фильтрации он флюктуирует по амплитуде с частотой модуляции (котару 1 оцелесообразно выбирать равной 12,5 Гц).На фиг, 4 б показаны импульсы запускааналого-цифрового преобразователя 30, поступающие на его вход запуска с выходамодулятора 20.Как видно из фиг, 4 а, б. запуск аналогоцифрового преобразователя 30 осуществляется всегда в один и тот же момент временифлюктуации полезного сигнала, поступающего на его вход, Следовательно, за времяпреобразования всегда происходят аналогичные изменения полезного сигнала ифлюктуация сигнала на выходе аналогоцифрового сигнала оказывается значительно сниженной, что повышает точностьизмерений,Наводки частотой 50 Гц могут вызывать"биения" полезного сигнала из-за воздействия их на модулятор. Однако они не приводят к снижению точности в предлагаемомустройстве, так как запуск аналого-цифро вого преобразователя и модуляция оптического излучения осуществляются по одномуи тому же сигналу (с вцхода модулятора 20).Формула изобретения1, Фурье-спектрометр, содержащий интерферометр Майкельсона с приводом подвижного зеркала, подключенным к блокууправления приводом, модулятор, подключенный к опорному генератору, последовательно соединенные фотаприемник,усилитель низкой частоты, выход которогосоединен с первым входом синхронного детектора, фильтр низкой частоты, аналогоцифровой преобразователь,вычислительное устройство, первый выход которого соединен с регистратором, а также фазовращатель, вход которого подключен к опорному генератору, а выход - к второму входу синхронного детектора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности инадежности измерений в условиях действия факторов, меняющих параметры измерительного канала, усилитель низкой частоты снабжен цифровым блоком управления ко эффициентом усиления, фазавращательснабжен цифровым блоком управления сдвигом фазы, фильтр низкой частоты снабкен цифровым блоком управления постоянной интегрирования, а блок управления 15 приводом подвижного зеркала снабженцифровым входом, который подключен к второму выходу вычислительного устройства, при этом управляющий вход усилителя низкой частоты соединен с четвертым выхо дом вычислительного устройства, управляющий вход фазовращателя соединен с третьим выходом вычислительного устройства, управляющий вход фильтра низкой частоты соединен с пятым выходом 25 вычислительнога устройства.2, Фуоье-спектраметр па и. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что вычислительное устройство состоит из блока определения коэффициента усиления, блока отсчета количества 30 операций определения коэффициента усиления, блока определения сдвига фазы, блока определения постоянной интегрирования, блока формирования команд управления приводом и накопителя 35 отсчетов интерферограмм, причем вход блока отсчета количества операций определения коэффициента усиления соединен с первым выходом блока определения коэффициента усиления, второй выход которого 40 является четвертым выходом вычислительного устройства, а первый вход совпадает с входом вычислительного устройства, первь 1 й вход блока определения сдвига фазы Соединен с первьм выходом блока отсчета 45 количества операций определения коэффициента усиления, второй вход подключен к первому входу блока определения коэффициента усиления, первый выход блока определения сдвига фазы соединен с вторь 1 м 50 входом блока определения коэффициентаусиления, а его второй выход является третьим выходом вычислительнога устройства, второй выход блока отсчета количества операций определения коэффициента 55 усиления соединен с первым входом блокаопределения постоянной интегрирования, второй вход которого подключен к первому входу блока определения коэффициента усиления, ега первый выход является пятым выходом вычислителя, а второй выход соединен с входом блока формирования команд управления приводом, первый выход которого образует второй выход вычислительного устройства, а второй подключен к первому входу накопителя отсчета интерфе рограмм, второй вход которого подключенк первому входу блока определения коэффициента усиления, а выход является первым выходом вычислительного устройства.168117.1 Составитель И, ЛукинаТехред М,Моргентал Корректор Т.Малец Редактор А, Огар Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 3306 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5